都市圈“土壤-飼料-動物”系統養分流動與環境效應——以北京市為例

魏莎，柏兆海，吳迪梅，夏立江，江榮風，馬林

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都市圈“土壤-飼料-動物”系統養分流動與環境效應——以北京市為例

魏莎1,2，柏兆海2，吳迪梅3，夏立江1，江榮風1，馬林2

（1中國農業大學資源與環境學院/植物-土壤相互作用教育部重點實驗室，北京 100193；2中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心/ 河北省節水農業重點實驗室/中國科學院農業水資源重點實驗室，石家莊 050021；3北京市畜牧業環境監測站，北京 100083）

【目的】隨著中國城市化進程的加快和經濟的快速發展，人們對食品的需求和飲食結構發生了明顯變化。城郊農牧生產的集約化發展在滿足人們日益增長的對動物性產品和高品質植物性產品需求的同時，也帶來了嚴重的資源浪費和環境污染問題。論文通過分析都市圈“土壤-飼料-動物”體系養分流動和環境排放特征，為養分資源綜合管理、促進農牧結合和保護生態環境等提供科學建議。【方法】通過對北京市生豬（92個）、奶牛（28個）、肉牛（11個）、蛋雞（27個）、肉雞（26個）和肉鴨（16）共計200個農場的生產管理、飼料來源和投入、糞尿管理、還田利用的調研，總結出北京市農牧生產不同規模體系的特征參數，結合食物鏈養分流動模型（nutrient flows in food chains, environment and resources，NUFER）、北京市歷史統計數據和文獻參數數據對北京市都市圈農牧系統的氮磷流動、養分利用率和環境損失進行綜合評價。對1980年與2013年農牧生產體系養分流動特征、利用率和環境排放特征的時空變化進行比較分析。【結果】從“土壤-飼料-動物”體系氮磷流動特征分析結果可以看出，體系中氮磷的投入和輸出結構發生了較大變化。2013年，“土壤-飼料-動物”體系中進口主產物飼料氮磷投入是主要的養分來源，而1980年進口副產品飼料是主要的氮磷投入源。2013年氮磷損失為主要的輸出項，而1980年氮磷還田為主要的輸出項。這就說明隨著城市化的發展和農牧系統的規模化，越來越多的外來養分在都市農牧系統中集中，從而帶來了更大比例的環境損失輸出。2013年，農牧生產體系氮素利用率NUEC+A為29.0%，與1980年相似。其中2013年農牧生產體系中的作物生產體系氮素養分利用率NUEC為33.0%，低于1980年的39.5%，而2013年動物生產體系NUEA為20.6%，高于1980年的17.8%。環境損失特征分析結果顯示，單位面積氮磷損失和損失途徑均發生了較大變化。2013年，每公頃耕地面積氮素和磷素總損失分別為436.5和37.5 kg·hm-2，而1980年的氮素和磷素損失分別為77.5和3.2 kg·hm-2，2013年單位耕地面積的氮素和磷素損失量較1980年分別增加了4.6倍和10.7倍。2013年氮素氣體損失占氮素總損失的比例最大，為61.1%，其次為直接排放，為31.3%，淋溶徑流損失比例最小，為7.6%。與1980年相比，氣體損失比例明顯降低，而無序排放比例明顯增加，超過淋溶徑流成為第二大損失途徑。2013年磷素直接排放損失比例超過淋溶徑流成為最主要的排放途徑。同時，北京市“土壤-飼料-動物”體系環境氮磷損失在城郊區域迅速增加，而在城市中心區域迅速減少。【結論】1980—2013年間，北京市“土壤-飼料-動物”系統氮磷流動特征和環境排放時空分布發生了很大變化。這些變化與種養結構的變化、養殖規模和方式以及環保政策密切相關。

“土壤-飼料-動物”系統；養分利用率；氮損失；磷損失；NUFER模型

0 引言

【研究意義】隨著都市化和經濟的快速發展，為滿足不斷增長的食品需求，動植物產品需求不斷增加，隨之帶來了化肥使用量和畜禽養殖場規模化程度的快速增長[1-2]。但是，近30年來，由于種植業中的化肥使用不當和養殖業中農場管理粗放，以及隨著規模化程度的增加帶來的農牧生產體系的分離，造成人為氮磷的嚴重損失[3-6]。化肥和動物糞尿中的氮通過氨（NH3）、一氧化二氮（N2O）和氮氧化物（NOX）向大氣中排放，并且通過可溶形式的硝酸鹽向水體淋溶。這些排放造成溫室效應、生態系統富營養化、酸化和生物多樣性喪失[7-10]。城市化過程中更多的是改變周邊農業生態系統的生物化學過程[11-12]。城市和城郊地區的農業系統將越來越多營養物質集中到城市區域，以維持食物消費的營養需求。因此，分析都市圈農牧生產體系的養分流動和環境排放特征，對可持續的氮磷資源管理，確保糧食安全以及改善環境質量具有重要意義。【前人研究進展】國外發達國家較早實現了農牧系統的規模化，其對農牧系統養分循環和環境排放的研究起步也較早。在大量實驗和調研的基礎上，采用物質流的方法建立了IMAGE、MITERRA、IDEAg、INTEGRATOR等模型，用于對農牧系統物質流動和環境排放進行評價[13-16]。中國對于農牧生產體系養分流動的研究開始較晚，同樣采用了物質流的方法。劉曉利和許俊香對中國農牧體系中氮磷流動狀況進行了研究，建立了中國營養體系養分流動框架[17-18]。WANG等在全國尺度上分析了畜牧業動物產品和糞尿氮磷輸入輸出情況，但缺乏對畜牧業生產全鏈條的養分流動和損失特征分析[19-20]。MA等建立了食物鏈養分流動模型（NUFER模型），闡明了養分在農田、畜牧、食品加工和消費過程中的利用率和損失情況，為評價農牧生產體系的養分流動提供了更為完善的方法[21-22]。隨后，柏兆海在NUFER模型的基礎上進一步探討了動物養殖體系的養分流動特征，對不同動物不同生產系統的養分利用和損失進行了深入的研究[9,23]。【本研究切入點】已有的研究表明，在全國尺度上，單位耕地面積的氮磷排放量較高的區域主要集中在大城市周邊且城市化的擴展對氮磷流動具有顯著影響[22]，然而現階段尚缺乏基于都市農牧生產體系實際生產數據進行的養分利用特征和環境損失研究。【擬解決的關鍵問題】應用物質流動分析法，采用NUFER模型和農場調研相結合的方式定量北京市1980—2013年“土壤-飼料-動物”生產體系氮磷流動、利用率和環境排放的時空變化特征，為探索都市圈農牧生產體系養分利用率和減排潛力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

北京為中國首都（北緯39°28′—41°5′，東經115°25′—117°30′），總面積1.68×104km2。郊區土地總面積為1.52×104km2，其中耕地2 209 km2。郊區耕地面積占北京市總耕地面積的95%。北京市人均耕地面積0.01 hm2/人，顯著低于華北地區人均耕地面積（0.093 hm2/人）和全國平均水平（0.18 hm2/人），耕地資源明顯不足[24]。畜禽養殖頭數從1980年的242.2萬頭當量豬增加到2013年的778.7萬頭當量豬[24-25]（30只蛋雞=1頭豬，60只肉雞=1頭豬，1頭奶牛=10頭豬，1頭肉牛=5頭豬，3頭羊=1頭豬）。

1.2 系統邊界和NUFER模型介紹

NUFER模型是中國國家和區域尺度食物鏈系統氮磷流動模型，模型以“土壤-作物生產-畜禽生產-家庭消費”為系統邊界，對系統中氮磷流動特征、利用率、氣體損失、氮磷淋溶徑流損失進行評價分析[21]。本研究以北京都市圈“土壤-飼料-動物”生產系統為研究邊界，研究區域涉及14個區縣。

本研究利用NUFER模型分析北京農牧生產體系氮磷養分流動、利用率和環境損失情況，包括6種動物養殖類型（生豬、奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和肉鴨）及其與之相關的飼料生產、糞尿處理和還田利用等環節養分輸入輸出平衡。系統邊界和養分流動如圖1所示。

圖1 “土壤-飼料-動物”系統邊界和養分流動圖

1.3 計算方法

采用NUFER模型[21]對農牧生產體系的投入、產出和損失進行計算。

1.3.1 農田生產系統氮磷流動計算方法

N(P)IC=N(P)IFer+N(P)ISR+N(P)IMR+N(P)IBNF+

N(P)Idep（1）

N(P)ISR=N(P)YStraw×RSR（2）

N(P)IMR=Numlivestock×N(P)manure×RMR（3）

式中，N(P)IC表示農田生產系統氮磷輸入量，N(P)IFer表示化學氮磷肥投入量，N(P)ISR表示作物秸稈還田量，N(P)IMR表示畜禽糞尿氮磷還田量，N(P)IBNF表示生物固氮量，N(P)Idep表示大氣氮干濕沉降；N(P)YStraw表示作物秸稈收獲氮磷量，RSR表示秸稈還田比例；Numlivestock表示畜禽養殖數量，N(P)manure表示單位動物畜禽糞尿排氮磷量，RMR表示糞尿還田比例。

1.3.2 畜牧生產子系統氮磷流動計算方法

N(P)IFIS=N(P)ICG×RCFU+N(P)ISG×RSFU（4）

N(P)IFOS=N(P)AN-N(P)IFeed in system（5）

式中，N(P)IFIS表示系統內飼料氮磷投入量，N(P)ICG表示作物籽粒收獲氮磷量，RCFU表示作物產品的飼用比例， N(P)ISG表示作物秸稈收獲氮磷量，RSFU表示秸稈飼用比例；N(P)IFOS表示系統外飼料氮磷投入量，N(P)AN表示動物子系統氮磷需求量，包括畜牧主產品帶走氮磷量和動物活體帶走的氮磷量，N(P)IFeed in system表示本地飼料氮磷投入量。

1.3.3 氮磷利用率的計算

N(P)UEC=N(P)OC/N(P)IC（6）

N(P)UEA=N(P)OA/N(P)IA（7）

N(P)UEC+A=N(P)OC+A/N(P)IC+A（8）

式中，N(P)UEC表示農田系統氮磷利用率，N(P)OC表示作物系統產品氮磷輸出量，N(P)IC表示作物系統氮磷投入量；N(P)UEA表示畜牧系統氮磷利用率，N(P)OA表示畜牧系統產品氮磷輸出量，N(P)IA表示畜牧系統氮磷投入量；N(P)UEC+A表示農牧系統氮磷素綜合利用率，N(P)OC+A表示農牧生產體系中作物和動物產品氮磷輸出量，N(P)IC+A表示農牧生產體系氮磷投入量，包括生產飼料的化肥氮或磷輸入、飼料氮或磷進口（北京以外地區購買的飼料，如魚粉、豆粕、牧草等）、生物固氮輸入和氮沉降輸入。

1.4 數據來源

數據來源包括農場調研數據、統計數據和文獻數據3個部分。

1.4.1 調研數據 2012—2013年期間，對北京市的畜禽養殖場進行實地問卷調研和農場考察，收集農場的相關生產數據。調研樣本的選擇是基于畜牧業環境排放登記和畜牧部門工作人員的建議。調研內容包括：（1）農場基本情況（面積、是否有土地、人員情況等）；（2）動物生產管理（動物各生長階段頭數、生長時間、飼料配方和購買仔畜的數量）；（3）圈舍管理（圈舍及其地板類型、通風和散熱系統、圈舍清潔頻率、用水情況）；（4）糞尿管理（糞尿儲存方式和時間、糞尿處理方式）；（5）農場產出（動物出欄數量和質量、動物產品銷售量、母畜淘汰量、糞尿銷售量）。

1.4.2 統計數據 研究所需要的耕地面積、主要農作物播種面積及產量、畜牧業各類動物的存欄、出欄數量皆來源于北京市統計年鑒[24-25]。各種動物養殖規模來源于中國畜牧業年鑒[26-27]。作物的經濟產量的需氮量、草谷比及秸稈含氮量、不同作物的固氮量等來自于NUFER模型[21]。

1.4.3 文獻數據 1980—2011年期間動物養殖體系飼料輸入量采用柏兆海[9]的飼料組成。2013年動物養殖體系飼料配方、采食量、養殖天數及死亡率等信息則采用2013年的調研數據。飼料及動物產品氮磷養分含量采用NUFER模型參數[21]。圈舍階段的NH3排放系數采用劉東[28]的總結，儲存和處理階段的NH3排放系數采用劉東和賈偉的總結[28-29]。糞尿在圈舍、儲藏和處理過程中N2O和N2排放系數來自NUFER模型[21]。

2 結果

2.1 農牧生產體系氮流動特征及歷史變化

1980年和2013年，北京市農牧生產體系氮流動賬戶特征如圖2所示。2013年，農牧生產體系總氮素輸入量為109.8 Gg，其中進口主產物飼料（北京以外地區輸入，如青貯玉米、大豆、牧草等）為68.4 Gg、進口副產物飼料（麩皮、棉籽粕等）為21.1 Gg、本地主產物飼料（玉米、大豆、牧草等）為20.3 Gg。1980年，進口主產物飼料、進口副產物飼料和本地主產物飼料輸入量分別為11.5、16.4和7.0 Gg。2013年進口主產物飼料、進口副產物飼料和本地主產物飼料較1980年分別增加了4.9倍、29.0%和1.9倍。2013年，輸入量的主要來源為進口主產物飼料，占飼料氮輸入量的60.6%，其次為本地主產物飼料（20.6%）和副產物飼料（18.7%）。1980年，輸入量的主要來源為進口副產物飼料，占飼料氮輸入量的46.8%，其次為進口主產物飼料（32.9%）和本地主產物飼料（20.3%）。過去30年間，進口飼料比例快速增加，而副產物飼料投入比例迅速降低。農牧生產體系氮素輸出項包括肉蛋奶產量和糞尿去向。2013年，農牧生產體系氮素輸出項中肉蛋奶產量為23.3 Gg。糞尿去向包括糞尿損失、糞尿銷售和糞尿還田，輸出量分別為57.5、21.7和6.2 Gg。而1980年，糞尿損失、糞尿銷售和糞尿還田，輸出量分別為12.5、0.7和20.1 Gg。2013年糞尿環境損失和糞尿銷售量比1980年分別增加了3.6、28.7倍，而糞尿還田量較1980年減少了58.1%。2013年，糞尿損失占糞尿輸出量的67.4%，為糞尿氮的主要去向；其次是糞尿銷售（25.4%）和糞尿還田（7.2%）。而1980年，糞尿還田占糞尿輸出量的52.7%，為糞尿氮的主要去向；其次是糞尿損失（44.7%）和糞尿銷售（2.6%）。與1980年相比，2013年糞尿銷售比例快速增加，增加了8.8倍，而糞尿還田的比例減少了86.3%。2013年，農牧生產體系作物生產環節中，氮素輸入項中化肥氮素投入量為58.4 Gg，比1980年增加2.7倍；同時，土壤氮素積累量較1980年增加了2.1倍。

括號中前一個數字代表1980年氮流動，后一個數字代表2013年氮流動。圖3同

2.2 農牧生產體系磷流動特征及歷史變化

1980年和2013年，北京市農牧生產體系磷流動賬戶特征如圖3所示。2013年，農牧生產體系總磷素輸入量為20.0 Gg，其中進口主產物飼料（北京以外地區輸入，如青貯玉米、大豆、牧草等）為7.4 Gg、進口副產物飼料（麩皮、棉籽粕等）為7.6 Gg、本地主產物飼料（玉米、大豆、牧草等）為5.0 Gg。1980年，進口主產物飼料、進口副產物飼料和本地主產物飼料輸入量分別為1.0、3.7和1.2 Gg。2013年進口主產物飼料、進口副產物飼料和本地主產物飼料較1980年分別增加了6.1、1.1和3.2倍。2013年，輸入量的主要來源為進口副產物和進口主產物飼料，分別占飼料磷輸入量的37.8%和36.4%，其次為本地主產物飼料（25.8%）。1980年，輸入量的主要來源為進口副產物飼料，占飼料磷輸入量的62.0%，其次為本地主產物飼料（20.7%）和進口主產物飼料（17.3%）。過去30年間，進口飼料比例快速增加。農牧生產體系磷素輸出項包括肉蛋奶產量和糞尿去向。2013年，農牧生產體系磷素輸出項中肉蛋奶產量為5.5 Gg。糞尿去向包括糞尿損失、糞尿銷售和糞尿還田，輸出量分別為6.4、5.6和2.1 Gg。而1980年，糞尿損失、糞尿銷售和糞尿還田，輸出量分別為0.1、0.2和3.8 Gg。2013年糞尿環境損失和糞尿銷售量比1980年分別增加了42.0和32.8倍，而糞尿還田量較1980年減少了45.3%。2013年，糞尿損失占糞尿輸出量的45.4%，為糞尿磷的主要去向；其次是糞尿銷售（40.0%）和糞尿還田（14.6%）。而1980年，糞尿還田占糞尿輸出量的92.3%，為糞尿磷的主要去向；其次是糞尿銷售（4.1%）和糞尿損失（3.6%）。2013年，農牧生產體系作物生產環節中，磷素輸入項中化肥磷素投入量為14.9 Gg，比1980年增加3.9倍；同時，土壤磷素積累量較1980年增加了1.2倍。

圖3 1980年和2013年北京市“土壤-飼料-動物”磷流動賬戶變化

2.3 農牧生產體系養分利用率歷史變化

1980—2013年，北京市農牧生產體系養分利用率歷史變化如圖4所示。2013年，農牧體系中作物生產體系氮素養分利用率為33.0%，動物生產體系NUEA為20.6%，農牧生產體系NUEC+A為29.0%。1980年，作物生產體系NUEC為39.5%，動物生產體系NUEA為17.8%，農牧生產體系NUEC+A為29.0%。動物系統氮素利用率隨時間不斷增加，而作物體系氮素利用率在2000年前不斷增加，2000年后快速降低。農牧生產體系氮素利用率1995年前逐漸增長，而1995年之后基本保持不變。2013年，農牧體系中作物生產體系磷素養分利用率為38.4%，動物生產體系PUEA為27.4%，農牧生產體系PUEC+A為37.4%。1980年，作物生產體系PUEC為42.8%，動物生產體系PUEA為27.3%，農牧生產體系PUEC+A為37.7%。動物系統磷素利用率1990年前逐漸下降而1990年后不斷增加。作物體系磷素利用率在2000年前不斷增加，2000年后快速降低。農牧生產體系磷素利用率隨時間變化趨勢不明顯。

圖4 1980—2013年“土壤-飼料-動物”體系氮和磷利用率變化

2.4 農牧生產體系氮和磷環境排放變化

北京市農牧體系氮素環境排放如圖5所示。氮素損失途徑包括氣體損失、淋溶徑流和直接排放。2013年，農牧生產體系氮素總損失為96.4 Gg。其中，氣體、淋溶徑流和直接排放的氮素損失量分別為58.9、7.4和30.1 Gg。氮素氣體損失占氮素總損失的比例最大，為61.1%，其次為直接排放，為31.3%，淋溶徑流損失比例最小，為7.6%。1980年，農牧生產體系氮素總損失為32.7 Gg。其中，氣體、淋溶徑流和直接排放的氮素損失量分別為28.4、4.3和0.04 Gg。氮素氣體損失占氮素總損失的比例最大，為86.6%，其次為淋溶徑流，為13.2%，直接排放損失比例最小，為0.2%。相較于1980年，2013年直接排放的損失量快速增加。2013年，每公頃耕地面積的氮素總損失為436.5 kg·hm-2，而1980年的氮素損失為77.5 kg·hm-2，2013年單位耕地面積的損失量較1980年增加了4.6倍。

北京市農牧體系磷素環境排放如圖6所示。磷素損失途徑包括淋溶徑流和直接排放。2013年，農牧生產體系磷素總損失為8.3 Gg。其中，淋溶徑流和直接排放的氮素損失量分別為2.0和6.3 Gg。磷素直接排放損失占總損失的比例最大，為75.5%，其次為淋溶徑流，損失比例為24.5%。1980年，農牧生產體系磷素總損失為1.3 Gg。其中，淋溶徑流和直接排放的磷素損失量分別為1.3和0.009 Gg。磷素淋溶徑流損失占總損失的比例最大，為99.4%，其次為直接排放損失，為0.6%。相較于1980年，2013年直接排放的損失量快速增加。2013年，每公頃耕地面積的磷素總損失為37.5 kg·hm-2，而1980年的磷素損失為3.2 kg·hm-2，2013年單位耕地面積的損失量較1980年增加了10.7倍。

圖5 1980—2013年“土壤-飼料-動物”體系氮素損失變化

圖6 1980—2013年“土壤-飼料-動物”體系磷素損失變化

2.5 農牧生產體系氮和磷環境排放時空分布

1980年和2013年，北京市農牧生產體系氮和磷損失時空變化如圖7所示。與1980年相比，2013年北京市農牧生產體系環境氮損失在城郊區域迅速增加，而在城市中心區域迅速減少。2013年，城市中心區域（朝陽、豐臺、石景山）環境損失量減為0，而城郊地區環境損失量快速增加。2013年，延慶、大興和順義的單位面積損失最大，分別為644、526和499 kg·hm-2，較1980年增加了2 127、532和430倍。而1980年順義、大興、通州和朝陽的單位面積損失最大，分別為94、83、68和56 kg·hm-2。

2013年，延慶、大興和順義單位面積損失最大，分別為70、54和47 kg·hm-2，較1980年增加了20 296、2 159和6 700倍。而1980年大興、朝陽和昌平的單位面積損失最大，分別為2.4、2.2和1.9 kg·hm-2。各區域環境損失與各區域動物養殖數量和養殖模式密切相關。

圖7 北京市“土壤-飼料-動物”體系1980年和2013年單位面積氮、磷損失

3 討論

3.1 農牧生產體系養分利用效率和環境損失變化特征

1980—2013年，北京市農牧生產體系氮素利用率在2000年前逐漸減少，而2000發生了上升，之后又呈現逐漸下降的趨勢。與此同時，氮磷總損失量和單位耕地面積氮和磷損失量在1985年和2005年連續兩次快速增加，而2005年后逐漸減少。產生這一系列變化的主要原因與城市化率、畜牧養殖規模與養殖方式、種養結構變化和社會對環境問題的重視程度提高有關。1985年和2000年之后都發生了養殖數量的快速增加，這與氮磷損失的增加趨勢相似[26]。2005年開始，北京市城市化率繼1990年后又一次快速增加，耕地數量快速減少，作物和動物生產系統的分離程度加大，為了保證北京市首都的功能，動物養殖數量快速減少[26]。1995年前，由于農村農民自身經濟條件有限，許多養殖戶將動物養殖只作為增加收入的來源之一，動物養殖一般飼養在房前屋后，飼料等管理水平很低。因此1995年前的階段，雖然動物養殖數量不斷上升，但是養殖養分利用率出現了下降趨勢。隨著都市化的不斷發展，北京市發展規劃提出畜牧業將定位于都市型現代農業，以轉變養殖結構方式為主線，啟動畜牧業發展5年規劃，推進5個重點工程，打造結構合理、品質優良、效益明顯、環境友好的都市型現代畜牧業產業體系[30]。隨后環境氮損失在2000年出現第二次下降，其主要原因是從2000年開始，國家環保部門和農業部門發布了許多限制畜禽養殖污染物排放、防治和無害化處理的法律、法規、標準和導則[31-36]。

2013年，北京農牧生產體系作物生產體系氮素利用率為26.4%，低于中國2010年氮素利用率（28.1%）[21]。北京農牧生產體系動物生產體系氮素利用率為21.2%，高于中國2010年氮素利用率（17.6%）[21]，其主要是因為北京生豬、奶牛等養殖飼料粗蛋白含量（生豬18%，奶牛16.6%）高于中國生豬養殖的平均值（14%）[9]、美國奶牛養殖的平均值（13.6%）和歐盟的平均值（生豬16%，奶牛15.8%）[37-40]。這是因為北京飼料配方中蛋白質含量較高的飼料比例較大，如生豬飼料中蛋白飼料豆粕占18.0%、麩皮占7.0%，奶牛飼料中蛋白飼料豆粕占22.0%、麩皮占9.0%。2013年北京市農牧生產體系作物體系磷素利用率為38.4%，高于2010年全國平均水平（37%），動物體系磷素利用率為27.4%，高于全國平均水平（17%），農牧生產體系磷素利用率為37.7%，高于全國水平（30.3%）[41]。

3.2 農牧生產體系氮磷流動的空間差異特征

隨著城市化的不斷發展，資源、環境和空間的有限性對都市農牧生產體系的約束力越來越大，使得提高農牧生產體系的可持續發展成為“十三五”期間的工作重點。過去30年，北京城區和近郊區域農牧生產體系的環境損失迅速減少，而遠郊區域的環境損失快速增加。產生這一變化的原因與城市發展規劃、人們的飲食習慣有關。隨著動物食品需求量的增加以及城市功能區域規劃，帶來了近郊區和遠郊區動植物生產數量和結構變化，由此產生了農牧生產體系環境損失的變化[42]。北京市劃分為首都功能核心區、城市功能拓展區、城市發展新區和生態涵養發展區，共4種功能區[43]。其中城市功能拓展區功能主要為經濟與國際交流，城市發展新區功能主要為發展先進制造業和現代農業，生態涵養發展區重點發展生態農業[43]。這也是農牧生產體系環境損失在城市功能拓展區迅速減少，而在城市發展新區和生態涵養發展區快速增加的重要原因之一。其中單位耕地面積環境氮和磷損失最大的延慶區屬于生態涵養發展區，大興和順義區隸屬城市發展新區。

3.3 農牧生產體系氮磷流動存在問題及建議

都市農牧生產體系由于其資源與環境的有限性，不能像其他資源型城市一樣走大規模生產道路。與此同時，隨著各區縣功能規劃的轉變，種養之間存在場地和飼料供應的矛盾。因此，北京市農牧生產應該由數量發展型向質量提高型轉變，重點通過提高動物單產和土地資源利用效率的途徑提高系統養分利用效率，用以解決自然資源不足所帶來的問題。

畜禽糞尿部分替代化肥。化肥已被確定為農牧生產體系養分投入和養分流失的主要來源。另外，降低有機廢物（例如糞肥）的再循環率對于增加地下水和地表水的養分損失作用顯著。因此，建議將畜禽糞肥代替化肥，對于農業和環境兩個方面都具有積極作用[44]。

環境消納能力、青粗飼料來源和疾病防控等問題是發展都市農牧系統的限制因素[45]，因此控制規模化程度的同時提高農牧結合程度是都市農牧系統可持續發展的重要途徑。在半郊區建立養殖小區和合作社，在養殖小區和合作社的基礎上實現種植業和養殖業的適度規模化發展[46]。同時，利用首都的經濟、技術、人才集中的優勢，大力發展種業。借助京津冀協同一體化的政策，利用天津市與河北省的自然資源優勢，達到技術與自然資源的有效結合。在更大地域范圍內推行“種養結合”的養殖模式，實現“零污染一體化”經營[47-49]。

4 結論

北京市2013年農牧生產體系氮磷素利用率與1980年的相似。農牧生產體系氮素利用率1995年前逐漸增長，而1995年之后基本保持不變。農牧體系中氮磷的輸入和輸出項比例發生了較大變化。輸入項來源從1980年的以副產品飼料為主轉化為2013年的以進口飼料為主。輸出項去向從1980年的以氮磷還田為主轉化為2013年的氮磷損失為主。2013年，單位耕地面積的氮素和磷素總損失為436.5和37.5 kg·hm-2，較1980年分別增加了4.6倍和10.7倍。同時，北京市農牧生產體系環境氮磷損失在城郊區域迅速增加，而在城市中心區域迅速減少。

產生一系列變化的原因與農牧生產體系從傳統模式向集約化模式轉變，農牧結合逐漸分離，養分循環率逐漸降低有密切關系。但是隨著各個系統飼養技術和管理手段的不斷優化以及環境標準的不斷提高，動物系統的養分利用率有所提高，在作物系統養分利用率降低的情況下，帶來了整個系統養分利用率的逐漸平穩。因此，想要提高農牧生產體系的效率必須要在保證當前動物系統效率增長趨勢的前提下，著重提高作物系統的養分利用率。

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（責任編輯 岳梅）

Nutrient Flow and Environmental Effects of “Soil-Feed-Livestock” System in Metropolis: A Case Study in Beijing

WEI Sha1.2, BAI ZhaoHai2, WU DiMei3, XIA LiJiang1, JIANG RongFeng1, MA Lin2

(1College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University/Key Laboratory of Plant-Soil Interactions, Ministryof Education, Beijing 100193;2Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences/Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture/Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021;3Beijing Environmental monitoring station of animal husbandry, Beijing 100083)

【Objective】With the accelerated process of urbanization and the rapid development of economy, people’s demand for food and diet has changed greatly, especially the demand for livestock products increased significantly.The intensive development of crop-livestock production in the suburbs meets the increasing demand for animal products and high-quality plant products, but it also brings serious waste of resources and environmental pollution.The objective of this study is to analyze the nutrient flow and environmental emission characteristics of peri-urban area and provide scientific suggestions for the integrated management of nutrient resources, promoting the combination of agriculture and animal husbandry and protecting the ecological environment.【Method】In this study, the survey data about the farm management, feed sources and inputs, manure management and land use of a total of 200 farms in Beijing (92 pig farms, 28 dairy farms, 11 beef cattle farms, 27 layer farms, 26 broiler farms and 16 duck farms) were used to summarize the characteristics of different scales of farming system Beijing. The performance of nitrogen and phosphorus flow characteristic, use efficiency and environmental loss of “soil-feed-livestock” production system in Beijing from 1980 to 2013 was assessed, using data of farm survey, historical statistics data and literature and nutrient flows in food chains, environment and resources model (NUFER) and calculations with the NUFER model.The spatial and temporal variations of nutrient flow characteristics, use efficiency and environmental emission characteristics of farming and animal system in 1980 and 2013 were compared. 【Result】The result of characteristic of nitrogen and phosphorus flow showed that the ratio of the input and output of nitrogen and phosphorus in the system had a great change. The main nutrient input was main feed import from other place in 2013, while the main inputs for nitrogen and phosphorus were from by-products feed import in 1980. The nitrogen and phosphorus loss was the main output in 2013, while the manure land use was the main output in 1980. The reason for the change is that with the development of urbanization and intensive farming system, more and more nutrients are concentrated in the urban area, resulting in a greater proportion of environmental loss. Nitrogen use efficiency of “soil-feed crop-livestock” production system in 2013 was 29.0% which was similar with 1980. Among them, NUECof crop system in 2013 was 33.0%, lower than that in 1980 (39.5%), while NUEAof animal system in 2013 was 20.6%, higher than that of 1980 (17.8%). Nitrogen and phosphorus loss of per hectare and the ways of loss have great changes. In 2013, loss of nitrogen and phosphorus per hectare of arable land was 436.5 and 37.5 kg·hm-2, respectively, while the nitrogen and phosphorus loss in 1980 was 77.5 and 3.2 kg·hm-2, respectively. In 2013, the loss of nitrogen and phosphorus in cultivated land increased 4.6 and 10.7 times as compares with 1980, respectively. In 2013, nitrogen loss from gas emission accounted for 61.1% of the total nitrogen loss, followed by direct discharge (31.3%) and leaching and runoff (7.6%). Compared with 1980, the proportion of gas loss decreased significantly, while the proportion of discharge losses increased significantly which exceeding leaching runoff became the second largest loss. In 2013, the ratio of direct phosphorus emissions exceeded that of leaching runoff to become the largest proportion of emission. Meanwhile, the loss of nitrogen and phosphorus in “soil-feed-animal” system in Beijing increased rapidly in the suburbs and decreased rapidly in the urban center.【Conclusion】 During 1980-2013, the characteristics of nitrogen and phosphorus flow in “soil-feed-animal” system changed greatly. These changes are closely related to the changes in planting and breeding structure, the scale of animal farming, and environmental protection policies.

“soil-feed-livestock” system; nutrient use efficiency; nitrogen loss; phosphorus loss; NUFER model

2017-05-22；

2017-07-06

國家自然科學基金面上項目（31572210）、河北省杰出青年基金（D2017503023）、科技部國家國際科技合作專項（2015DFG91990）、中國科學院重點部署項目（ZDRW-ZS-2016-5）、中國科學院百人計劃項目

魏莎，E-mail：weisha_666@126.com。

馬林，E-mail：malin1979@sjziam.ac.cn